光放大的方法和设备以及含此设备的系统

本发明一般涉及适用于光纤通讯中的光放大，其中利用波分多 路复用光信号，这些光信号包括多个不同波长的光载波，更具体地 说，本发明涉及这种光放大的方法和设备以及含此设备的系统。

近年来，低损耗(例如，0.2dB/km)光纤的制造技术和使用技术 已经成熟，采用光纤作为传输线的光通讯系统已投入实际使用。此 外，为了补偿光纤中的损耗，从而可用于长距离传送，已建议利用光 放大器来放大光信号或已付诸实施。

已知的光放大器包括光放大媒质和泵浦装置，待放大的光信号 提供给光放大媒质，泵浦装置用于泵浦(激光)光放大媒质，使光放大 媒质有一个含光信号波长的增益波段。例如，掺铒光纤光大器(ED- FA)包括作为光放大媒质的掺铒光纤和泵浦光源，泵浦光源把有预 定波长的泵浦光提供给EDF。泵浦光波长初步设定在0.98μm波段 或1.48μm波段范围内，能够得到包含1.55μm波长在内的增益波 段。另外，还知道另外一类光放大器，它是用半导体芯片作为光放大 媒质。在此情况中，将电流注入半导体芯片以完成泵浦。

波分多路复用(WDM)作为增大单根光纤传输容量的方法是已 知的。在采用WDF的系统中，使用具有不同波长的多个光载波。 多个光载波被分别调制以得到多个光信号，这些光信号被光学多路 复用器波分多路复用以得到WDM光信号，得到的WDM光信号输 出到光纤传输线。在接收站一侧，接收到的WDM光信号被光学多 路分解器分成几个单独的光信号，传送的数据按照每个光信号被再 现。因此，采用WDM方法，单根光纤中的传输容量能够随WDM信 道数目的增多而增大。

把光放大器合并到采用WDM方法的系统中，传输距离受到增 益与波长有关的限制，增益与波长的关系用增益坡度或增益偏差来 表示。例如，在EDFA中，众所周知，信号波段内有复杂的增益特 性，增益特性随输入总功率和提供给EDFA的泵浦光功率而变化。

为了抑制增益的波长依赖性，已建议把光放大器与光学滤波器 组合在一起。组合配置及由此所获得的效果在公布的日本专利中有 详细描述，专利号为3-44206,3-196125,8-213676，以及OAA0. 90,MD1,PP44-47。

光学滤波器放置在光放大器上行一侧(输入侧)的这种组合中， 噪声指数变高(坏)。在此情况中，光学滤波器的插入损耗可以通过 调整光放大器增益加以补偿。与此相反，光学滤波器放置在光放大 器下行一侧(输出侧)的情况中，噪声指数不高，但输出光功率因光学 滤波器的插入损耗而降低(减小)。所以，在现有技术中必须做这样 的选择，或有意提高输出光功率而允许噪声指数增大，或有意降低噪 声而允许输出光功率减小。

适当地设定泵浦光功率，尤其是EDFA中的功率，可以抑制 1540nm至1560nm波段内增益随波长变化的关系。在泵浦光功率 相对低的情况中，得到正的增益坡度，即增益随波长的增大而增大， 而在泵浦光功率相对高的情况中，得到负的增益坡度，即增益随波长 的增大而减小。因此，可以控制泵浦光功率使增益坡度变得平埋。 然而，使增益坡度平坦所需的泵浦光功率一般很高，所以就需要一个 高功率泵浦光源。获得高功率泵浦光的激光二极管是昂贵的。而 且，在利用组合的多个激光二极管以获得高功率泵浦光的情况中，光 路的配置变得很复杂。

所以，本发明的一个目的是提供一种光放大的方法，此方法能获 得低噪声指数和高输出光功率，而且能抑制增益的波长依赖性。

本发明的另一个目的是，提供一个实现此方法的设备。

本发明的第三个目的是，提供一个光放大设备，此设备能够在低 泵浦光功率条件下抑制增益的波长依赖性。

本发明的第四个目的是，把按照本发明的方法或设备应用于一 个系统，如光纤通讯系统。

按照本发明的第一方面，提供了一个含光放大器的设备，此光放 大器包括光放大媒质，以及与光放大器有效相连的第一光学滤波器 和第二光学滤波器，这两个滤波器用来抑制增益的波长依赖性。光 放大媒质有光信号的输入端和输出端。对光放大媒质进行泵浦，使 光放大媒质提供一个增益波段。此增益波段有第一波段和第二波 段，第一波段给光信号提供相对高的增益和相对高的噪声指数，第二 波段给光信号提供相对低的增益和相对低的噪声指数。第一光学滤 波器在光路上连接到光放大媒质的输入端，且具有这样的特性，第一 光学滤波器抑制第二波段内增益的波长依赖性。第二光学滤波器在 光路上连接到光放大媒质的输出端，且具有这样的特性，第二光学滤 波器抑制第一波段内增益的波长依赖性。

按照本发明的第一方面，分别放在光放大器输入侧和输出侧的 两个光学滤波器(第一光学滤波器和第二光学滤波器)用于抑制增益 的波长依赖性，从而允许适当地抑制每个光学滤波器中增益的波长 依赖性，以获得低噪声指数和高输出光功率。

按照本发明的第二方面，提供了一种包括下列步骤的方法：(a) 对光放大媒质进行泵浦，使此光放大媒质提供一个含第一波段和第 二波段的增益波段，第一波段给光信号提供相对高的增益和噪声指 数，第二波段给光信号提供相对低的增益和噪声指数；(b)给光放大 媒质提供通过第一光学滤波器的光信号，第一光学滤波器有这样的 特性，它抑制第二波段内增益随波长变化的关系；(c)给第二光学滤 波器提供从光放大媒质输出的光信号，第二光学滤波器有这样的特 性，它抑制第一波段内增益随波长变化的关系。

利用沿光信号传播方向级联的第一光放大器和第二光放大器， 实现按照本发明第二方面的方法时，将此方法应用于第二光放大器 是特别有效的，因为，若此方法仅应用于第一光放大器，第二光放大 器中可能出现新的增益随波长变化的关系。因此，若利用一般情况 下多个级联的光放大器以实现此方法，将此方法应用于最后一级的 光放大器(即，在输出侧)是很有效的。

按照本发明的第三方面，提供一个包含光放大媒质，泵浦装置和 光学滤波器的设备，光放大媒质有光信号的输入端和输出端，泵浦装 置对光放大媒质进行泵浦，使此光放大媒质在预定波段内具有非常 简单的增益特性，光学滤波器在光路上连接到光放大媒质输入端和 输出端中至少一端，此光学滤波器有这样的特征，它抑制预定波段内 增益的波长依赖性。

最好是，光放大媒质包括EDF，预定波段在1.54μm至1.56μm 波长范围。在此情况下，上述非常简单的增益特性给出这样的增益 坡度，增益随波长的增大而增大，光学滤波器特征给出这样的损耗坡 度，损耗随波长的增大而增大。

按照本发明的第三方面，非常简单的增益特性能够在低泵浦光 功率条件下保持，此光学滤波器能够抑制增益的波长依赖性。所以， 增益的波长依赖性能够在低泵浦光功率条件下被抑制。

按照本发明的第四方面，提供一个包含掺杂光纤，泵浦装置和光 学滤波器的设备，掺杂光纤的掺杂剂含Er(铒)，泵浦装置对掺杂光 纤进行泵浦，使掺杂光纤具有这样的增益坡度，在预定波段内增益随 波长的增大而增大，此光学滤波器与掺杂光纤有效相连，且具有这样 的损耗坡度，光学滤波器能抑制增益坡度。

按照本发明的第五方面，提供一个包括第一终端站和第二终端 站，连接第一终端站与第二终端站的光纤传输线，以及放在光纤传输 线上至少一个光学中继器。第一终端站包括多个光学发送器和一个 光学多路复用器，多个光学发送器分别输出具有不同波长的多个光 信号，光学多路复用器波分多路复用光信号以得到WDM光信号，并 把此WDM光信号输出到光纤传输线上。第二终端站包括一个光学 多路分解器和多个光学接收器，光学多路分解器把光纤传输线传送 的WDM光信号分成多个光信号，多个光学接收器分别接收多个光 信号。光学中继器包括按照本发明第一方面，第三方面或第四方面 的设备或包括以下描述的各种优选实施例设备。

在此说明书中，一个元件与另一个元件有效相连的用语包括这 两个元件直接相连的情况，也包括另一种情况，这两个元件之间互相 有联系，电信号或光信号可以在这两个元件之间互相传送。

从研究以下描述和所附权利要求书并参照附图着手，可以很清 楚地理解本发明的内容，这些附图说明本发明的几个优选实施例，本 发明的以上和其他目的，特征和优点，以及实现这些目的，特征和优 点的方法会变得更加明显。

图1是方框图，画出按照本发明设备的第一种基本配置；

图2是一曲线图，说明图1所示光放大媒质12提供的增益波 段；

图3A和图3B是曲线图，分别说明图1所示第一光学滤波器6 和第二光学滤波器10特性的实例；

图4是一曲线图，说明图1所示设备的输出光谱实例；

图5是一曲线图，说明光放大器中增益与输入光功率之间关系 的实例；

图6是方框图，画出图1所示设备的一个优选实施例；

图7A至图7D是几个方框图，画出对比验证实验中所用设备的 配置；

图8A至图8C是曲线图，说明实验中所用各种光学滤波器的特 性；

图9A至图9D是曲线图，说明实验中所得到的光谱曲线；

图10是方框图，画出按照本发明设备的第二种基本配置；

图11是一曲线图，说明增益坡度随泵浦光功率变化的曲线；

图12是方框图，画出图10所示设备的一个优选实施例；

图13是一曲线图，说明图12所示光放大器8′中的增益坡度；

图14是一曲线图，说明图12所示光学滤波器66′的特性；

图15是一曲线图，表示光学滤波器放置在输出侧情况下所需泵 浦光功率，噪声指数与坡度之间关系的曲线；

图16是一曲线图，表示光学滤波器放置在输入侧情况下所需泵 浦光功率，噪声指数与坡度之间关系的曲线；

图17是方框图，画出按照本发明一个优选实施例的系统；

图18A和图18B是示意图，说明色散符号随光纤光栅插入方向 不同而不同。

现在，结合参照附图详细描述本发明几个优选实施例。在全部 附图中基本相同的部件用相同参考数字表示。

图1是一方框图，画出按照本发明光放大设备的第一种基本配 置。图1所示设备有一个接收待放大光信号的输入口2和一个输出 放大光信号的输出口4。第一光学滤波器6，光放大器8，和第二光 学滤波器10按这个顺序沿光信号传播方向放在输入口2与输出口 4之间。光放大器8包括光放大媒质12和泵浦装置14，光放大媒质 12有光信号的输入端12A和输出端12B，泵浦装置14对光放大媒 质12进行泵浦，使光放大媒质12提供一个增益波段。

对图1所示光放大媒质12提供的增益波段结合参照图2给以 说明。在图2中，竖直轴代表光功率(dBm)或增益(dB)，水平轴代表 波长。当光放大媒质12被泵浦装置14泵浦时，产生增益波段GB， 它把增益特性16给了光信号谱S1和S2。增益特性16代表光放大 媒质12中增益随波长变化的关系。

小信号下的增益特性可以用光放大媒质中ASE(放大的自发辐 射)噪声谱近似表示。

如图2所示，增益波段GB包含第一波段B1和第二波段B2，第 一波段B1给光信号(谱S1)相对高的增益，第二波段B2给光信号 (谱S2)相对低的增益。在第一波段B1中，由于产生了相对高的 ASE噪声，噪声指数是高的(不好)。在第二波段B2中，由于产生了 相对低的ASE噪声，噪声指数是低的(好)。

图3A和图3B是曲线图，分别说明图1所示第一光学滤波器6 和第二光学滤波器10的特性。在每个曲线图中，竖直轴代表传输损 耗(dB)，水平轴代表波长。如图3A所示，第一光学滤波器6具有这 样的特性，它抑制(最好是抵消)第二波段B2中增益随波长变化的 关系。在第二波段B2以外的各个波长上，传输损耗由光学滤波器6 的最小插入损耗所确定，这一传输损耗在理想上为0(dB)，实际上为 很小值。如图3B所示，第二光学滤波器10具有这样的特性，它抑制 (最好是抵消)第一波段B1中增益随波长变化的关系。在第一波段 B1以外的各个波长上，传输损耗由光学滤波器10的最小插入损耗 所确定，这一传输损耗在理想上为0(dB)，实际上为很小值。

参照图4，这是图1所示设备输出光谱的一个实例。在此实例 中，假定待输入到输入口2的光信号是多个WDM光信号，这是对 λ1至λ2不同波长的多个光信号进行波分多路复用得到的，还假定 各个光信号功率互相一致。如图4所示，从输出口4输出的放大 WDM光信号具有这样的光谱，它是由各个光信号陡峭的光谱叠加 到相对平坦的ASE谱上得到的，由于采用本发明，ASE谱的增益随 波长变化的关系变平坦了。因为光放大媒质12中增益随波长变化 的关系受到第一光学滤波器6和第二光学滤波器10的抑制，从该设 备中输出的各个放大WDM光信号功率变得基本上互相一致。因 此，按照本发明设备的第一种基本配置能够抑制增益随波长变化的 关系。

本发明不受待放大光信号是WDM光信号这一情况的限制。待 放大光信号可以是单个信道中的一个光信号。在此情况中，光信号 波长随产生此光信号的光源温度变化或其他因素变化而改变是可能 的。因此，本发明对防止单个信号中光信号波长的变化也是有效的。

现在详细说明图1所示设备能够获得低噪声指数和高输出光功 率的理由。

在以下描述中，将前级光放大器与后级光放大器级联得到两级 放大器的配置。光学滤波器插入在这个两级配置的前级放大器与后 级放大器之间，在此情况下总的噪声指数(NF)由下面式子给出： $\mathrm{NF}=10\log [N{F}_f+\frac{{10}^{(\mathrm{NFr}+A)/10}-1}{{10}^{G/10}}]$

其中NFf是前级光放大器的噪声指数(dB),NFr是后级光放大 器的噪声指数(dB),A是光学滤波器的损耗(dB),G是前级光放大 器的增益(dB)，每一种参量都是波长的函数。

因此，两级配置中总的噪声指数NF取决于前级光放大器的噪 声指数NFf和增益G，后级光放大器的噪声指数NFr，以及插入在前 级光放大器与后级光放大器之间的光学滤波器损耗A。上述式子说 明，光学滤波器插入损耗A越小，总的噪声指数NF就越低。

一种情况是光学滤波器插入在前级光放大器与后级光放大器之 间，另一种情况是光学滤波器放在后级光放大器的输出侧，而不是将 光学滤波器插入在前级光放大器与后级光放大器之间，将这两种情 况进行比较，只要光学滤波器损耗相同，后一情况中总的噪声指数低 于前一情况。就是说，后一情况中总的噪声指数原则上不会受到光 学滤波器损耗而变坏。

所以，按照本发明第一种基本配置应用于后级光放大器的情况 中，对于有相对高噪声指数的光信号，补偿增益的光学滤波器放置在 后级光放大器的输出侧，为的是不使噪声指数进一步变坏。然而，光 学滤波器放置在后级光放大器情况中，输出光功率因光学滤波器损 耗而减小。与此相反，光学滤波器插入在前级光放大器与后级光放 大器之间的情况中，光学滤波器的插入损耗能够被后级光放大器的 输入-增益特性所补偿(例如，见图5)。所以，按照本发明第一种基 本配置应用于后级光放大器的情况中，对于有相对低噪声指数的光 信号，补偿增益的光学滤波器插入在前级光放大器与后级光放大器 之间，为的是得到最大的输出光功率。

如上所述，光学滤波器插入在前级光放大器与后级光放大器之 间，使噪声特性变坏，光学滤波器放置在后级光放大器的输出侧，使 输出光功率减小。因此，对于一个其噪声指数和增益高于其他光信 号的光信号，调整增益的光学滤波器放在后级光学放大器的输出侧。 另外，对于一个其噪声指数和增益低于其他光信号的光信号，调整增 益的光学滤波器放在后级光放大器的输入侧。更普遍地说，本发明 中多个光学滤波器放在不同的位置上，从而调整增益随波长变化的 灵敏度。注意到对噪声特性灵敏的信号来调整增益，不用光学滤波 器能够避免噪声指数变坏，并能得到高的输出光功率，此外，按照本 发明减小了噪声指数偏差，这一情况结合参照验证实验的结果在以 后给以描述。

因此，本发明不同于普通的增益均衡，普通的增益均衡是使输出 光功率相对于波长是均衡的，本发明提出一个新方法，称之为光学 SNR(信噪比)均衡。注意到传输质量是由光学SNR所决定这样一 个事实，此新方法能使输出光功率维持在相同值上，还能使噪声指数 维持在较低的相同值上。

作为光放大媒质12，可以使用含稀土元素掺杂剂的掺杂光纤。 在此情况中，泵浦装置14包括泵浦光源，它给光放大媒质12提供泵 浦光，从光放大媒质12的第一端12A和第二端12B中至少一端供 给泵浦光。为了获得含1.55μm波长的增益波段，选用含Er(铒)的 掺杂剂。在此情况下，例如，第一波段B1在1.52μm至1.54μm波 长范围，第二波段B2在1.54μm至1.56μm或1.54μm至1.58μm 波长范围。在掺杂剂含Er的情况中，泵浦光波长最好落在0.98μm 波段(0.96μm至1.00μm)。或落在1.48μm波段(1.46μm至1. 50μm)。还可以采用半导体芯片作为光放大媒质12。在此情况下， 泵浦装置14包括电流源，用于给半导体芯片注入电流。

要求第一光学滤波器6和第二光学滤波器12都有下列的性质：

(a)高精度的达到传输特性设计值。

(b)减小的传输特性的温度依赖性。

(c)减小的插入损耗。

(d)减小的偏振依赖性。

(e)减小的波长色散。

(f)从信号传输线射出反射光(去除的光)。

为了满足以上一项或多项要求，可以采用马赫-曾德尔(Mach -Zehnder)光学滤波器(侧如，InGaAsP/InP半导体)，干涉薄膜滤光 片(多层介质薄膜)，或光纤光栅滤波器作为第一光学滤波器6和第 二光学滤波器10。特别是，采用以下要描述的光纤光栅，上述的多 项要求都能满足。

图6是方框图，画出图1所示设备的一个优选实施例。在此优 选的实施例中，掺铒光纤(EDF)18用作光放大器8的光放大媒质 12。为了扩展增益波段，EDF18中还可以掺Al(铝)的化合物。泵浦 装置14包括泵浦光源20和WDM耦合器22，泵浦光源20输出泵浦 光的波长在1.48μm波段内，WDM耦合器22从EDF18的第一端 18A给EDF18提供泵浦光。光放大器8还有光隔离器24和光隔离 器26，光隔离器24连接在WDM耦合器22与EDF18的第一端18A 之间，光隔离器26连接在EDF18的第二端18B与第二光学滤波器 10之间。

可变光学衰减器28和得到输入监测光的方向耦合器30按这个 顺序沿着光信号传播方向放置在第一光学滤波器6与WDM耦合器 22之间。输入监测光供给光电检测器(PD)32，如光电二极管。从 光电检测器32输出的电信号反映光放大器8的输入功率，此电信号 供给自动增益控制(AGC)电路34以保持增益特性不变。得到输出 监测光的方向耦合器36放置在第二光学滤波器10与输出口4之 间。输出监测光供给光电检测器38。从光电检测器38输出的电信 号反映光放大器8的输出功率，此电信号供给AGC电路34。AGC 电路34根据光放大器8的输入功率和输出功率控制从泵浦光源20 输出的泵浦光功率，使EDF18给出的增益特性保持不变。例如， AGC电路34调整泵浦光功率，使光放大器8的输入功率与输出功 率之比保持恒定。从光电检测器38输出的电信号还提供给自动电 平控制(ALC)电路40。ALC电路40通过可变光学衰减器28控制 衰减量，使光放大器8的输出功率保持不变。

特别是，在此优选的实施例中附加的第二光放大器42放在第一 光学滤波器6上行一侧。就是说，该设备具有两级配置，光放大器 42和光放大器8分别用作前级放大器和后级放大器。使光放大器 42由多个光放大器组成，该设备可以改制成多级配置。

光放大器42包括EDF44，泵浦光源46，和WDM耦合器48，泵 浦光源46输出泵浦光的波长在0.98μm波段内，WDM耦合器48从 EDF44的第一端44A给EDF44提供泵浦光。EDF44的第二端44B 通过光隔离器50和方向耦合器52连接到第一光学滤波器6。被方 向耦合器52分支的输出监测光供给光电检测器54。从光电检测器 54输出的电信号反映光放大器42的输出功率，此电信号供给AGC 电路56。光学隔离器58和方向耦合器60按这个顺序沿着光信号 传播方向放置在输入口2与WDM耦合器48之间。被方向耦合器 60分支的输入监测光供给光电检测器62。从光电检测器62输出的 电信号反映光放大器42的输入功率，此电信号供给AGC电路56。 AGC电路56根据光放大器42的输入功率和输出功率控制从泵浦 光源42输出的泵浦光功率，使EDF44给出的增益特性保持不变。 例如，AGC电路56调整泵浦光的功率，使光放大器42的输入功率 与输出功率之比保持恒定。

可以采用激光二极管(LD)作为泵浦光源20和泵浦光源46。在 此情况下，可以通过每个激光二极管的驱动电流调整每个泵浦光的 功率。

输入到输入口2的WDM光信号首先被前级光放大器42放大。 在此放大过程中，与光放大器42的输入功率无关，增益特性(增益随 波长变化的关系)因采用AGC电路56而保持不变。放大了的 WDM光信号接着通过第一光学滤波器6。在光学滤波器6中，对包 含在第二波段B2内的光信号完成增益补偿。通过滤波器6的 WDM光信号受到可变光学衰减器28的可控衰减，接着供给后级光 放大器8。在光放大器8内的放大过程中，增益特性因采用AGC电 路34而保持不变，与光放大器8的输入功率无关。被光放大器8放 大的WDM光信号接着通过第二光学滤波器10。在滤波器10中， 对包含在第一波段B1内的光信号完成增益补偿。通过滤波器10的 WDM光信号从输出口4输出。

输出光功率因采用ALC电路40和可变光学衰减器28而保持 不变，它与输入功率无关。输出光功率的ALC是利用可变光学衰减 器28来完成的，其理由是，控制每个泵浦光的功率使光放大器8和 光放大器42中的增益特性都保持不变，所以，ALC不能通过调整每 个泵浦光的功率而完成。

尽管滤波器6和滤波器10都有固定的特性，由于光放大器8和 光放大器42中增益特性保持恒定，总是能抑制该设备中增益的波长 依赖性。就是说，能够抑制增益随波长变化的关系而与输入功率无 关。

在此优选实施例中，前级光放大器42的泵浦光波长设定在0. 98μm波段内，其理由是，在对相对低功率光信号的放大过程中，可 避免其噪声特性有较大恶化。波长在0.98μm波段内泵浦光对EDF 的泵浦，对于降低光放大器中的噪声是有效的。另外，后级光放大器 8的泵浦光波长设定在1.48μm波段内，其理由是，可以获得高的输 出光功率。增大1.48μm波段内振荡激光二极管的输出比增大0. 98μm波段内振荡激光二极管的输出容易。因而，采用这种高功率 泵浦光，能够增大该设备的输出光功率。

在图6所示的优选实施例中，光信号与泵浦光在光放大器8和 光放大器42的EDF中沿着相同的方向传播。就是说，实现正向泵 浦。或者，可以实现反向泵浦，使光信号与泵浦光在每个光放大媒质 中沿着相反的方向传播。此外，对于每个光放大媒质使用两个泵浦 光源，正向泵浦和反向泵浦可以在每个光放大媒质中实现。就是说， 可以实现双向泵浦。在此情况下，利用不同波长的泵浦光(例如，0. 98μm和1.48μm)可以在每个光放大器中实现混合双向泵浦。

虽然第一光学滤波器6，可变光学衰减器28，和方向耦合器30 按这个顺序沿着光信号传播方向排列，但是，这些器件排列的顺序任 意的。此外，第二光学滤波器10与方向耦合器36的排列顺序可以 颠倒。就是说，滤波器6和滤波器10都可放在AGC回路的内侧或 外侧。

图7A至图7D是几个方框图，画出对比验证实验中所用设备的 配置，这是用来验证本发明第一种基本配置比现有技术优越。

图7A画出现有技术不带光学滤波器的两级配置。前级光放大 器42，可变光学衰减器28，和后级光放大器8按这个顺序沿着光信 号传播方向放置在输入口2与输出口4之间。

图7B画出现有技术中光学滤波器仅仅插入在两级配置以内。 前级光放大器42，可变光学衰减器28，组合光学滤波器64，和后级 光放大器8按这个顺序沿着光信号传播方向放置在输入口2与输出 口4之间。组合光学滤波器64的结构是把适用于本发明的第一光 学滤波器6与第二光学滤波器10串联起来。

图7C画出现有技术中光学滤波器仅仅放在两组配置的输出 侧。组合光学滤波器64放置在后级光放大器8与输出口4之间。

图7D表示本发明所用的设备。前级光放大器42，可变光学衰 减器28，第一光学滤波器6，后级光放大器8，和第二光学滤波器10 按这个顺序沿着光信号传播方向放置在输入口2与输出口4之间。

在此实验中，每个前级光放大器42中泵浦光功率设定在 100mw，每个后级光放大器8中泵浦光功率设定在150mw。此外， 每个可变光学衰减器28的衰减量设定在-12.7dB。

图8A，图8B和图8C是三个曲线图，分别表示此实验中所用第 一光学滤波器6，第二光学滤波器10，和组合光学滤波器64的特性 曲线。在每个曲线图中，竖直轴代表传输损耗(dB)，水平轴代表波 长(μm)。此实验由所用的滤波器6,10和64中每一个滤波器是由 一个光纤光栅或几个光纤光栅构成的。如图8A所示，第一光学滤 波器6具有这样的特性，它抑制约1.54μm至约1.56μm波段内增益 随波长变化的关系，给出相对低的增益和噪声指数。如图8B所示， 第二光学滤波器10具有这样的特性，它抑制约1.52μm至约1. 54μm波段内增益随波长变化的关系，给出相对高的增益和噪声指 数。如图8C所示，组合滤波器64具有这样的特性，它抑制约1. 52μm至约1.56μm波段内增益随波长变化的关系。

图9A，图9B，图9C和图9D是四个曲线图，分别表示图7A,7B, 7C和7D所示配置得到的输出光谱，在每个曲线图中，竖直轴代表光 功率(dBm)，水平轴代表波长(μm)。在此实验中，利用多个WDM 光信号，这些光信号是在1.52μm至1.56μm波段内含不同波长的 五个信道中对光信号进行波分多路复用得到的。在每一信道的每一 输入口2处，光信号的峰值功率设定在-19.9dBm。在此实验中，在 图7A至7D的每一配置中测量最小输出光功率Pmin(dBm)，输出光 功率偏差(最大输出光功率与最小输出光功率之偏差)△P(dB)，最大 (最坏)噪声指数NFmax(dB)，和噪声指数偏差(最大(最坏)噪声指数 与最小(最好)噪声指数之偏差)△NF(dB)。对此测量结果进行比 较，在表1中列出。

表1     图7A     图7B     图7C     图7D Pmin(dBm)     4.50     6.15     1.52     3.35 △P(dB)     6.37     3.47     2.36     2.11 NFmax(dB)     6.442     7.042     6.452     6.422 △NF(dB)     0.73     0.73     0.89     0.35

图7D配置的下列优点应当从以上比较实验结果中容易明白。

(1)与图7C比较，噪声指数偏差△NF减小0.54(=0.89-0. 35)dB。

(2)与图7B比较，最大噪声指数NFmax改善0.62(=7.042-6. 422)dB。

(3)与图7A比较，输出光功率偏差△P减小4.26(=6.37-2. 11)dB。

(4)与图7C比较，最小输出光功率Pmin改善1.83(=3.35-1. 52)dB。

(5)与图7B比较，在所有信道中光信号的噪声指数得到改善 (最大为0.62dB)。

(6)与图7C比较，在所有信道中光信号的输出光功率都增大。

因此，将本发明第一种基本配置应用于多级配置的最后一级中 获得从技术优点得到验证。

在图7A至图7D的全部配置中，最小输出光功率Pmin是由实验 中所用五个信道内次最短波长信道中光信号给出的，最大噪声指数 NFmax是由最短波长信道中光信号给出的。

图10是一方框图，画出按照本发明的第二种基本配置。该设备 有一个输入口2和一个输出口4，输入口2接收待放大的光信号，输 出口4输出放大了的光信号。光信号可以是单个波长信道内的光信 号，此信道可能有波长变化，或者可以是多个WDM光信号，这是对 多个不同波长的光信号进行波分多路复用得到的。光学滤波器66 和光放大器8′按这个顺序沿着光信号传播方向放置在输入口2与输 出口4之间。光学滤波器66可以用放在光放大器8′与输出口4之 间的光学滤波器66′替代。光放大器8′包括光放大媒质12和泵浦装 置14′，光放大媒质12有光信号的输入端12A和输出端12B，泵浦装 置14′用于泵浦光放大媒质12。在此配置中，泵浦装置14′对光放大 媒质12进行泵浦，使得光放大媒质12在预定波段内有很简单的增 益特性。光学滤波器66或66′具有这样的特性，它抑制上述很简单 增益特性中给出的增益随波长变化的关系。

作为光放大媒质12，可以使用含稀土元素掺杂剂的掺杂光纤。 在此情况中，泵浦装置14′包括泵浦光源，它给光放大媒质12提供有 适当波长和功率的泵浦光，从光放大媒质12的第一端12A和第二 端12B中至少一端中供给泵浦光。在预定波段包含1.55μm的情况 下，含Er(铒)的掺杂剂适用于掺杂光纤。在此情况中，例如，预定波 段是在1.54μm至1.56μm波长范围，而泵浦光波长至少包含在0. 98μm波段和1.48μm波段二者之一波段内。半导体芯片可以用作 光放大媒质12。在此情况下，泵浦装置14′包括电流源，用于给半导 体芯片注入电流。

图11是一曲线图，表示光放大媒质12含EDF(掺铒光纤)情况 下光放大媒质8′增益特性的例子。图11表示输出光谱，这是在具有 波长1548μm,1551μm,1554μm,1557μm四个信道中WDM光信号 以相同输入功率输入到泵浦的EDF中得到的输出光谱。图11中， 竖直轴代表光功率(dBm)，水平轴代表波长(μm)。

以A表示的光谱对应于这一情况，其中泵浦光功率相对较高， 在约1.54μm至约1.56μm波段内形成负增益坡度。就是说，负增 益坡度是这样一个增益坡度，增益随波长的增大而增大，增益(G)对 波长(λ)的导数为负值(dG/dλ＜0)。

W、C表示的光谱对应于这一情况，其中泵浦光功率相对较低， 在约1.54μm至约1.56μm波段内形成正增益坡度，就是说，下增益 坡度是这样一个增益坡度，增益随波长的增大而增大，增益对波长的 导数为正值(dG/dλ＞0)。

以B表示的光谱对应于这一情况，其中泵浦光功率最合适，使 得在约1.54μm至约1.56μm波段内不形成增益坡度，增益对波长 的导数为零(dG/dλ=0)。

每一个光谱都有这样的形状，对应于四个信道中光信号的四个 锐谱叠加到ASE谱上。

此外，在每个光谱中，在含波长短于1.54μm的波段内产生复杂 的增益特性，而在约1.54μm至约1.56μm波段内得到很简单的增 益特性。例如，在WDM应用于含光放大器的系统中，若增益坡度是 在光放大器中形成的，则各个信道之间的增益偏差限制了传输距离。 所以，要求优化光放大器的驱动条件，总是得到B所示的光谱。要 保持光谱如B那样，去掉增益坡度的普通方法是，监测泵浦光的增 益，泵浦光功率是反馈受控的，使增益的监测值保持恒定。然而，去 掉增益坡度的泵浦光功率很高，所以只通过控制泵浦光功率来去掉 增益坡度，就要求有一个高功率且成本低的泵浦光源。

在按照本发明的第二种基本配置中，控制光放大媒质12的增益 特性和利用光学滤波器66或66′是结合在一起的。因而，可以用低 泵浦功率(例如，低泵浦光功率)抑制增益随波长变化的关系。例如， 光放大媒质12被泵浦装置14′泵浦，使得在约1.54μm至约1.56μm 波段内有正增益坡度，如图11中C所示。在此情况下，光学滤波器 66或66′特性给出的损耗坡度是这样的，损耗随波长的增大而增大。 因而，可以用低泵浦光功率抑制增益随波长变化的关系。

图12是方框图，画出图10所示设备的一个优选实施例。此实 施例在以下几点上与图6所示实施例不同。

(1)按照本发明第二种基本配置的光放大器8′替代按照本发明 第一种基本配置的光放大器8。

(2)由于图12所示优选实施例是根据这样的前提，使用的光信 号波长包含在约1.54μm至约1.56μm波段内，带阻滤波器68替代 按照本发明第一种基本配置中所用的第一光学滤波器6，此带阻滤 波器68的阻带落在1.53μm波段内(例如，1.52μm至1.54μm)。

(3)按照本发明第二种基本配置的光学滤波器66′替代按照本发 明第一种基本配置中所用的第二光学滤波器10。

在光放大器8′中，连接到泵浦光源20的WDM耦合器22′放置在 EDF18的第二端18B与光学隔离器26之间，为的是把泵浦光源20 输出的泵浦光从第二端18B提供给EDF18。从泵浦光源20输出的 泵浦光功率是受到控制的，使得在EDF18中产生的很简单增益特性 能借助AGC电路34保持不变。更具体地说，AGC电路34调整泵 浦光的功率，使得光放大器8′的输入功率与输出功率之比率保持恒 定，或者是组合光放大器8′和光学滤波器66′的输入功率与输出功率 之比率保持恒定。

现在结合参照图13，描述借助AGC电路34使增益特性保持恒 定的一个例子。按照所示的增益特性，光放大器8′有这样的增益坡 度，增益随波长的增大而增大。在图13中，竖直轴代表光功率 (dBm)，水平轴代表波长(nm)。此例子利用波分多路复用光信号在 八个信道中得到WDM光信号。各个光信号的波长为1546.12, 1547.72,1549.32,1550.92,1552.52,1554.13,1555.75和1557. 36nm。最小光功率与最大光功率之间偏差为1.16dB。因此，在 1546nm至1557nm波段内的增益坡度约为0.1dB/nm。最小光功率 是由最短波长提供的，最大光功率是由最长波长提供的，增益坡度基 本上是线性的(增益用单位dB)表示)。

图12所示AGC电路34控制从泵浦光源20输出的泵浦光功 率，例如，使增益坡度保持成图13所示那样，因此，尽管抑制增益随 波长变化关系的光学滤波器66′有固定的特性，所以采用AGC电路 34′可靠地抑制增益随波长变化的关系。更具体地说，光学滤波器66′ 有这样一个损耗坡度，使此损耗坡度抑制(最好是抵消)图13所示的 增益坡度。

参照图14，此图表示光学滤波器66′特性的一个例子。在图14 中，竖直轴代表传输损耗(dB)，水平轴代表波长(nm)。光学滤波器 66′有这样的特性，在约1.54μm至约1.56μm波段内传输损耗随波 长的增大而增大，损耗坡度约为0.1dB/nm。因此，光放大器8′的增 益坡度能够被光学滤波器66′的损耗坡度所抵消。

在图12所示的优选实施例中，带阻滤波器68和光学滤波器66′ 都可以用光纤光栅构成。

图15是一曲线图，表示按照本发明第二种基本配置中所需泵浦 光功率，噪声指数(NF)，与光学滤波器坡度(损耗坡度)之间关系，此 处的情况是，光学滤波器放置在输出侧，即，利用光学滤波器66′的情 况。在图15中，两个竖直轴分别代表所需泵浦光功率(mW)和噪声 指数(dB)，水平轴代表坡度(dB/nm)。所需泵浦光功率此处表示在 整个设备中消除增益坡度所需的泵浦光功率。

给出图15所示曲线的数据是按照图12所示优选实施例中的配 置，通过实验和模拟得到的。为了对模拟情况进行计算，采用了C. R.Gailes和E.Desnrvire“模拟的掺铒光纤放大器”一文中的分析模 型和分析方法，此篇文献在Journal of Lightwave Technology,Vol.9, No.2,1991刊登。

在得到给定输出值(+6.0 dBm/ch)的EDF长度已经优化条件 下，对所需泵浦光功率进行计算，此泵浦光功率使最短波长与最长波 长之间增益相同，并使对应于所需泵浦光功率的噪声指数也相同。

在图15中，零坡度对应于没有利用光学滤波器66′的情况。在 此情况下，所需泵浦光功率约为250mW。与此对比，利用其坡度为 0.05至0.2dB/nm的光学滤波器66′，已证实，在作为功率放大部分 的后级中所需泵浦光功率减少40％，或减少更多。若坡度太小，减 少所需泵浦光功率的效果就很小，若坡度太大，噪声指数就高，或所 需EDF长度就大，所以，此坡度最好是在0.05至0.1dB/nm范围。

所以，用相对低的泵浦光功率泵浦EDF，目的是产生这样一个 增益坡度，增益随波长的增大而增大，以及用这样的光学滤波器，其 损耗坡度为，损耗随波长的增大而增大，且其中损耗坡度值是适当设 定的，则能够抑制增益随波长变化的关系而没有使噪声指数变坏。

图16表示按照本发明第二种基本配置中所需泵浦光功率，噪声 指数，与坡度(损耗坡度)之间的关系，这是在光学滤波器放在输入侧 的情况下，即，在利用光学滤波器66情况下得到的。与图15比较， 减小所需泵浦光功率的效果(泵浦效率改进效果)较大，但噪声指数 变坏也较大。坡度最好在0.05至0.1dB/nm范围，其理由类似于讨 论图15时所述的理由。

因此，在实现本发明第二种基本配置的情况中，若重点放在减小 所需泵浦光功率的效果上，光学滤波器66′最好放置在光放大器8′的 输入侧，若重点放在噪声特性上，光学滤波器66′最好放置在光放大 器8′的输出侧。

在实现本发明的情况中，光纤光栅适用于每一个光学滤波器。 采用光纤光栅，上述要求(a)至(f)中很多项都能得到满足。

若光学介质(例如，玻璃)折射率受到光照后发生永久性变化，此 介质称为光敏介质。利用这一性质，可以把光纤光栅制成在光纤的 芯中。光纤光栅的特征是，它布拉格反射共振波长附近波段内的光； 此共振波长由光栅常数和光纤模式的有效折射率确定。光纤光栅可 以这样制成，例如，利用在248nm或193nm上振荡的准分子激光器 通过相位掩模照射一根光纤而制成。

例如，利用线性调频(chirp)方法制备光纤光栅，能够得到图8A 或图8B所示的特性。在此线性调频方法中，光栅常数是按照一个 恰当分布设定的，从而得到所需的特性。实示上已经证实，按照图 8B的光纤光栅能够提供1528nm至1562nm波段内所设计的特性。

为了验证光纤光栅的温度特性是良好的，对图12中所示带阻滤 波器68和光学滤波器66′(66)做了试验。接受试验的每个光纤光栅 在环境温度23.3℃,91.2℃，和-5.4℃下按这个顺序放置一长段时 间，并对各项性能进行测量。关于带阻滤波器，在阻带内随着波长的 变化，最小输出在1.19(nm)；关于光学滤波器66′(66)，几乎都观察 不到坡度和插入损耗有变化。

光纤光栅可以与光纤直接拼接以构成光路，拼接损耗为0.1dB。 所以，由光纤光栅引起的插入损耗是低的。

利用光源和偏振控制器测量光纤光栅光纤光栅的偏振依赖性及 偏振依赖性的温度依赖性，结果，很难观察到这些关系。

在光信号带宽为30nm和光纤光栅的光栅长度为30mm情况 下，光延迟估算为4.8ps/nm。因此，可以说，在实际使用中光纤光栅 引起的色散非常小。然而，若光延迟在高速传输中积累起来，积累的 光延迟超过容限的可能性是存在的。以下描述消除这种可能性的手 段。

在光纤光栅是用线性调频方法制成的情况下，由于每个光栅垂 直于光纤轴，反射光耦合到光纤导模。所以，在多个光纤光栅串联后 得到所需特性的情况下，由于反射光而达不到设计要求的特性是可 能的，此外，即使用单个光纤光栅达到设计所要求的特性，由于反射 光回到了与光纤光栅有光路连接的光放大媒质中，不能达到所要求 的增益特性仍是可能的。为了消除这种可能性，采用光学隔离器是 有效的。然而，采用光学隔离器造成该设备配置的复杂性和体积增 大。

采用炫耀(blazed)方法或长周期(long-period)方法以制成光纤 光栅，可以有效地去除反射光。在炫耀方法中，每个光栅相对于光纤 轴是倾斜的，从而把反射光逐出光纤。在长周期方法中，光栅常数设 定在相对大的值上，从而去除反射光。

有关线性调频方法，炫耀方法和长周期方法的更多细节在Yu Lin等人及P.SAJ Russel等人的文章中有描述：Yu Lin et al.“用相 位匹配条件分析长周期和短周期布拉格光纤光栅”，SPIE,Nol 2893, PP441-447,P.SAJ.Russel et al“光纤光栅”,Physics World,Octo- ber,1993,PP41-46。

图17是方框图，说明按照本发明光纤通讯系统的一个优选实施 例。此系统包括：第一终端站70，第二终端站72，连接第一终端站 70与第二终端站72的光纤传输线74，以及放在光纤传输线74的多 个(本实施例中有两个)光学中继器76。每个光学中继器76包含按 照本发明第一种或第二种基本配置的设备78。可以用单个光学中 继器76替代。第一终端站70包括多个光学发送器(OS)80(#1至# n)和一个光学多路复用器(MUX)82，多个光学发送器80分别输出 有不同波长的多个光信号，光学多路复用器82波分多路复用多个光 信号以得到WDM光信号，并将这些WDM光信号输出到光纤传输 线74上。第二终端站72包括一个光学多路分解器(DMUX)84和 多个光学接收器86(#1至#n)，光学多路分解器84把光纤传输线74 传送的WDM光信号分成多个光信号，多个光学接收器86分别接收 这多个光信号。

有了这种配置，WDM光信号的损耗可以用放在光纤传输线74 上一个或多个光学中继器76给以补偿，从而允许长距离传输。为了 达到这个效果，第一终端站70可以有一个作为辅助放大器(后置放 大器)的光放大器，第二终端站72可以有一个作为前置放大器的光 放大器。特别是，由于每个光学中继器76含有按照本发明的设备， 能够抑制每个光学中继器76内增益随波长变化的关系，能够减小由 于增益偏差对传输距离的限制。在按照本发明第二种基本配置应用 于每个设备78的情况中，在低泵浦光功率条件下的每个设备78内， 可以抑制增益随波长变化的关系，从而允许制造高可靠性和低成本 的系统。

在利用光纤光栅作为每个光学滤波器以实现上述本发明的情况 下，每个光纤光栅中出现约4.8ps/nm延迟。本发明第一种基本配 置应用于图17所示系统的每个设备78，例如，此设备78的数量为9 个，在此情况下，由于每个设备78包含两个光学滤波器，则总的色散 量变成86.4ps/nm(=4.8ps/nm×2×9)。若外调制为10Gbit/s应 用到一个系统上，则色散的限度约为750ps/km/nm。在此情况下， 上述色散量86.4ps/nm约占以上限度的12％，超过了容限。

本发明的第一种基本配置对于减小每个设备78的色散或理想 上使色散为零是有效的，对于控制图17所示系统总的色散量也是有 效的。现在对此作更具体的讨论。

在利用光纤光栅作为每个光学滤波器的情况下，色散的符号(正 或负)可以按照图18A和图18B中所示光纤光栅插入方向而选定。 假定具有不同波长λA和λB的光进入光纤光栅，且假定图18A中得 到的是正色散，将光纤光栅的插入方向颠倒，如图18B所示，则此光 纤光栅给出负色散，这是因为布拉格反射位置的不同。

因此，在本发明第一种基本配置应用于图17所示每个设备78 的情况下，将图1所示第一光学滤波器6的第一色散设定为一种符 号，将图1所示第二光学滤波器10的第二色散设定为另一种符号， 这两种符号不相同，则可以减小每个设备78中的色散。特别是，若 使每色散与第二色散的绝对值基本相等，则每个光纤光栅中的色散 能够互相抵消，从而使每个设备78中的色散基本上为零。所以，控 制终端站72与终端站70之间光纤传输线74上的色散，在已经采用 此控制方法的系统中避免了因色散使传输特性下降，就可以应用现 有的控制色散方法，而无需作这样的改动，使每个设备78中的色散 基本上为零。

此处提到的控制色散是指，将终端站70与终端站72之间总的 色散量设置在预定值上，或设置在预定的范围内。

在控制终端站70与终端站72之间光纤传输线74中色散不够 充分的情况下，将第一色散和第二色散的符号设置成相同，借助每个 设备78中的色散(第一色散与第二色散之和)有效地抵消光纤传输 线74中的色散。例如，在多根跨线的光纤传输线74中，由于光纤制 造技术的不同以及光信号波长的涨落，多根跨线中色散的符号各不 相同。所以，在光纤传输线74中总的色散为正的情况下，就设置每 个设备78中的色散符号为负。

为了防止因光纤中诸如自相位调制的非线性效应而使波形变 坏，有时可以在局部地方或一般在终端站70与终端站72之间设置 预定的色散值。在此情况下，也可以在每个设备78中设置所需的色 散值。

如上所述，按照本发明可以提供一个方法，一个设备或一个系 统，它能得到低噪声指数和高输出光功率，还能抑制增益随波长的变 化。此外，按照本发明也可以提供一个方法，一个设备或一个系统， 它能在光放大媒质低的泵浦功率(例如，低泵浦光功率)条件下抑制 增益随波长的变化。